盾構隧道下穿既有鐵路對軌道結構的影響研究

徐向明

深圳市龍崗區城市建設投資有限公司

盾構隧道下穿既有鐵路對軌道結構的影響研究

徐向明

深圳市龍崗區城市建設投資有限公司

引言

隨著我國經濟發展，城市規模不斷擴大，地下空間得到開發利用。城市地鐵隧道施工會對地表及地表以上建筑造成一定的影響。當隧道埋深較淺時且周圍建筑見多時，隧道施工會對地表造成不均勻沉降。當地鐵隧道下穿既有鐵路線路時，隧道施工會引起運營鐵路路基的不均勻沉降，過大的地表沉降變形會導致事故發生。此外，位于地鐵隧道上方的線路運營荷載一般較大，對于修建中的地鐵隧道而言相當于施加了很大壓力，會對地鐵隧道施工產生不良影響。對于控制下穿隧道施工對既有建筑物的影響，許多學者提出了多種解決措施。本文通過數值模擬對地鐵隧道下穿既有鐵路線路時造成的影響這常見問題進行分析。通過對關鍵點的軌道變形進行研究，并結合相應的規范要求提出相應的控制指標。

1 國內外研究現狀

目前，對盾構區間下鐵路既有線變形影響主要研究手段有經驗公式法、實驗方法和數值模擬方法。許多學者認為由于隧道施工開挖引起的地表橫向沉降槽可以用一曲線函數表示出來，據施工現場的實際情況對經驗公式法進行了修正。根據相應的的地質情況以及施工方法確定函數參數的取值，但是該方法具有較大局限性[1~3]。實驗分析也是常用方法之一，目前該方法在國內高校中用得較多。數值分析也是常用方法之一。在數值模擬分析中可以綜合考慮影響地層變形的各個方面因素，模擬隧道施工開挖引起地表沉降變形以及其地表沉降范圍。在實際施工前能較好預測地表的沉降，并根據地表沉降的值機器范圍提出了相應的控制地表沉降措施。丁銳等[4]根據沿海地區軟土地區的淺埋暗挖隧道施工的實際情況，進行了相應數值模擬分析。其得到結果表明，在開挖過程中，群洞效應的作用和施工方案有密切關系，并提出了相應控制地表沉降的措施。招偉等[5]以廣州地鐵二號線現場監測數據為基礎，總結了地表沉降規律，發現造成地表沉降的因素有：初始應力狀態的改變、地層的地質條件、隧道開挖掌子面的受力和變形等。

從目前已有成果來看，國內對地鐵隧道施工對周圍環境影響的研究，主要是研究地表沉降，而且一般停留在平面計算，三維計算研究較少。因此，對于地鐵隧道施工對下穿既有鐵路影響的研究方法雖然較多，但是缺乏對其原理的深入研究。確定地鐵隧道施工下穿既有線路的控制標準，選擇合理的施工參數，及采取有效的必要的保護措施，從而很好地控制地層的變形，是目前需要深入研究的。

2 數值模擬技術

2.1 建模概況

地鐵10號線某區間在里程約DK28+972.300~DK29+024.700處下穿廣深鐵路，隧道與鐵路交叉角約為78°，被穿越長度分別為48.5m、49.3m。區間線路縱斷面在下穿廣深鐵路處左、右線坡度均為10‰，區間隧道主要處于土、塊狀強風化砂巖層中，上覆素填土、粘性土、下方為中風化砂巖。軌面埋深14.090m~14.720m。

廣深鐵路平湖站站中心里程為K126+685。平湖站內共8股道，軌道道床為碎石道床，其中正線4條，輔線2條；貨運線2條，中間站臺3座。區間影響及加固范圍K126+659.2~K126+628.7。

以該區段實際情況為依據建立三維數值計算模型，模型上邊界為地表路基及軌道，底邊界取到隧道底以下15m(約為2.5D，D為區間隧道直徑)，寬度隧道兩側外各取20m(約為3.5D)，線路縱向考慮邊界效應取90m。建立的計算模型網格如圖1所示。

圖1 盾構隧道下穿鐵路計算模型圖

計算模型范圍內分布的地層主要有素填土、粘性土、強風化砂巖、中風化砂巖。計算模型中土層、盾構管片、注漿加固圈、碎石道床均采用實體單元進行模擬，列車軌道采用梁單元進行模擬，列車荷載和盾構推力分別采用線荷載和面荷載進行模擬。模型邊界采用法向位移約束，地面為自由面。在盾構隧道開挖模擬中，巖土體都采用彈塑性本構模型，Mohr-Coulomb屈服準則；混凝土結構則采用彈性本構模型。

2.2 施工過程模擬

根據盾構施工流程，數值分析中對盾構各施工步序進行了模擬。下面是模擬的具體施工過程：

(1)初始地應力場的分析模擬；

(2)列車軌道荷載施加，位移清零；

(3)第一環隧道土體開挖、第一環管片施工，同時施加盾構推力，施加相應盾構機荷載，如圖2所示；

(4)第二環隧道土體開挖、第二環管片施工，同時施加盾構推力及對應部位盾構機重力荷載；

(5)第三環隧道土體開挖、第三環管片施工，同時施加盾構推力及對應部位盾構機重力荷載；

(6)最后一環隧道土體開挖、最后一環管片施工，隧道貫通。

3 鐵路線路加固及變形控制標準

3.1 鐵路線路加固

目前國內對線路加固主要采用三種方法：D型梁扣軌加固、鋼軌束扣軌、地面注漿加固。D型梁剛度大、沉降小，但人工挖孔樁施工期間可能帶來較大沉降，且對既有線運營帶來較大影響，本案例處于運營車站內，兩側站臺限制使作業空間受限，因此，D型梁方案不可行。鋼軌束采用3-5-3形式，可較大程度上，提升軌道剛度，減少小范圍內產生較大變形的可能，作業空間較D型梁更加靈活，因此，對于正線及影響范圍內的站線采用鋼軌束扣軌對線路進行架空保護。其余線路采用地面袖閥管跟蹤注漿加固，盡量減少對鐵路運營影響。

3.2 變形控制標準

據調查國內與已運營鐵路線路發生干擾的地下工程已經有多處已成功實施，其工程特點及控制標準如表1：

根據《鐵路線路修理規則》要求，1435mm標準軌距和線路允許速度為200km／h及以下的線路，線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值如表2所示：

綜合國內下穿鐵路經驗和深圳等我國沿海地區地層條件，制定以下控制標準：(見表3)

4 盾構隧道下穿鐵路既有線變形影響分析

新修建的地鐵隧道會擾動周圍的地層從而導致地表變形，造成周邊建筑物的不均勻沉降。在實際隧道施工中，需要嚴格施工引起的地表以及地表以上建筑物沉降?？刂菩陆ǖ罔F隧道下穿既有鐵路線路時對線路結構影響的特點主要表現在兩方面：一是：鐵路線路結構附于地表之上，應該與一般隧道施工引起的地表沉降具有類似規律；二是：相對于普通地表面來說，鐵路線路結構因為有其上部列車荷載的作用，其沉降規律有自己的特殊性。因此，為了更深入地研究其沉降機理，需要研究隧道下穿對既有線路的影響及其引起的沉降變形規律。

表1 工程特征及控制標準

表2 線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值(mm)

表3 線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值(mm)

表4 軌道高程差差值表

圖2 右線隧道上方軌道沉降值

圖3 兩隧道中間上方軌道沉降值

圖4 左線隧道上方軌道沉降值

4.1 鋼軌高程差分析

高低不平順是指軌道沿鋼軌的長度方向在垂向上的高低不平。圖2~圖4為三個典型斷面的軌道沉降值，利用該斷面的軌道沉降值，分析相鄰鋼軌高程差。(見表4)

從上述計算結果可知：三個典型斷面中，軌道相鄰觀察點的最大高程差為1.2mm，屬于左線已經開挖完畢，右線還未開挖的斷面，盾構開挖對相應地面鋼軌沉降影響較大。鋼軌的鋼軌沉降差均小于控制值5mm，滿足2.2中對相鄰鋼軌高程差的控制值5mm/10m的控制值要求。

4.2 鋼軌水平差分析

水平誤差主要是由于左右兩股鋼軌下沉量不同所造成的。鋼軌維修規則中對其大小及變化幅度有著嚴格限制。水平誤差較小情況下只是引起車輛的搖晃和兩股鋼軌的不均勻受力及磨耗。但水平誤差較大情況下會出現三角坑的，有可能使轉向架某個車輪減載甚至懸空，甚至可能爬上鋼軌，危及行車安全。

圖5 相鄰鋼軌沉降圖

從數值模擬結果來看，盾構開挖對應上部的沉降較大，但左右軌高低的變化趨勢基本一致。施工過程中沉降變化與開挖同步，最大水平沉降差為0.6mm，滿足4mm的沉降控制值。

4.3 相鄰鋼軌軌距差分析

圖6 隧道上方軌道水平位移圖

圖6為盾構隧道開挖引起軌道水平位移圖，利用該典型斷面的水平位移值，分析相鄰鋼軌的軌距差，從上述計算結果可知：

軌道最大水平位移值為1.44mm，由于盾構開挖距離地面較遠，地面鋼軌發生的水平位移同向且差值較小，處于-0.2mm~0.2mm，滿足2.2中相鄰鋼軌軌距差的控制值+4~-2mm的控制。

通過計算可知，下穿鐵路采用盾構法引起的地面及軌道變形較小，安全可控；鋼軌束扣軌的加固方式可以有效的控制鋼軌的不均勻沉降；盾構施工軌道變形受豎向沉降差控制；鋼軌水平差及軌距差受盾構開挖影響較小。

5 結語

本文通過結合深圳軌道交通十號線工程實例，進行三維數值模擬計算分析，對地鐵隧道下穿運營鐵路時，線路結構影響、控制方法及控制標準進行了研究。

(1) 在安全、合理、經濟的基礎上，根據國內相關城市下穿鐵路的經驗總結并結合《鐵路線路維修規則》制定了隧道下穿運營線路變形控制標準；

(2)由于鋼軌束扣軌增強了軌道的剛度，且路基土體較一般地層填筑密實，在長期列車荷載作用下，列車動應力影響范圍內土體物理力學強度參數有一定量的提高，從而有效限制了土層沉降的發展，減小了軌道發生有害變形的趨勢；(3) 在列車荷載作用下，雙線盾構隧道下穿運營線路事，盾構施工軌道變形受豎向沉降差控制；鋼軌水平差及軌距差受盾構開挖影響較小。

[1] Peck R. B， Deep excavation and tunneling in soft ground， State of the Art Report. Proc. 7Int. Conf. On Soil Mechanics and Foundation Engineering， Mexico City， 1969： 225~290.

[2] ROWE R.K， LO K.Y， KACK G J. A method of estimating surface settlement above tunnels constructed in soft ground[J]. Canadian Geotechnical Journal， 1983， 20(8)：11~22.

[3] LEE K.M， ROWE R.K. Subsidence due to tunnelling：Part II—Evaluation of a prediction technique[J]. Canadian Geotechnical Journal，1992， 29(5)： 941~954.

[4] 丁銳，范鵬，焦蒼等.不同開挖步驟引起淺埋隧道地表沉降的數值分析[J].鐵道工程學報，2005，(5)： 62~65.

[5] 劉招偉，王夢恕，董新平.地鐵隧道盾構法施工引起的地表沉降分析[J].巖石力學與工程學報，2003， 22(8)：1297~1301.

Study on Influences on Railway Structure caused by Shield Tunnel undergoing through Existing Lines

Xu?xiangming

(longgang?city?construction?investment?co.ltd.，Shenzhen?518100，China)

對深圳市城市軌道交通十號線某盾構區間隧道下穿廣深鐵路建立三維數值模型，通過數值模擬計算手段研究盾構隧道影響下軌道變形規律及控制技術。通過研究可知：鋼軌束扣軌增強了軌道的剛度，減小了軌道發生不利變形的趨勢；盾構隧道開挖引起的地表位移主要結果為沉降，雙線盾構隧道開挖引起的軌道沉降整體呈現出“w”形，兩盾構隧道上方地面沉降最大，其它地方沉降相對較小；盾構隧道下穿運營線路時，盾構施工軌道變形受豎向沉降差控制，鋼軌水平差及軌距差受盾構開挖影響較小。研究結果對城市軌道交通盾構區間下穿有砟鐵路軌道的設計與施工具有重要意義，為類似工程提供借鑒。

盾構隧道；有砟道床；軌道變形；控制標準；數值模擬

Based on construction of a certain section which under Guangshen Railway in Shenzhen rail transit line 10， it is researched which include track deformation and control technology under the influence of shield tunnel through three-dimensional numerical simulation model. The results show that： multiple track beam rail girder reduced the trend of harmful deformation through reinforce track stiffness; surface settlement is the main displacement caused by shield tunnel excavation; the deformation of the track caused by the excavation of the two-line shield is W shape; the settlement which on the top of the tunnel is largest; when the shield tunnel underpass the railway ，the track deformation is controlled by the difference of track vertical settlement; the result is important to the design and construction of the shield tunnel which underpass the rail track， and can be taken for example on similar project.

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